爆破應(yīng)力波對有節(jié)理裂隙圍巖的影響研究

張艷玲　梅雪花

摘要： 在巖石隧道的施工中，爆破施工是一種常用的方法。隧道圍巖中存在的節(jié)理裂隙很大程度上影響著爆炸應(yīng)力波的傳播。文章利用LS-DYNA有限元分析軟件，通過三維數(shù)值模模擬，分別從振速、能量和強(qiáng)度等方面研究節(jié)理對爆破應(yīng)力波傳播的影響。

Abstract： In the construction of rock tunnels， blasting is a common method. The joint fissures in the surrounding rock of the tunnel affect the propagation of the explosive stress wave to a great extent. In this paper， LS-DYNA finite element analysis software is used to simulate the influence of joints on the propagation of blasting stress wave from the aspects of vibration velocity， energy and intensity.

關(guān)鍵詞： 節(jié)理裂隙；應(yīng)力波；爆破；數(shù)值模擬

Key words： joint fissure；stress wave；blasting； numerical simulation

中圖分類號：U455.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）23-0124-02

0 引言

隨著我國交通事業(yè)的大力發(fā)展，高速公路四通八達(dá)，巖體隧道越來越多，然而由于巖體強(qiáng)度高，開挖困難大，因此常常采用爆破的方法。巖體并非均體，而是夾雜著節(jié)理裂隙的存在，這在一定程度上會造成爆炸應(yīng)力波的傳播，進(jìn)而影響爆破的效果。

目前，節(jié)理裂隙對應(yīng)力波傳播的影響問題，眾多學(xué)者采用理論模型、數(shù)值模擬、現(xiàn)場試驗(yàn)等不同的方法進(jìn)行了深入的研究。 郭文章，王樹仁[1]建立了節(jié)理巖體的質(zhì)量綜合評價(jià)指標(biāo)體系，并采用LS-DYNA2D程序，用數(shù)值計(jì)算方法模擬了巖體中的節(jié)理對爆破作用的影響。張力民等[2]通過數(shù)值模擬的方法得出，節(jié)理的存在對巖體的破壞模式起到了關(guān)鍵性的控制作用。文獻(xiàn)[3]分別對不同類型裂隙與應(yīng)力波的相互作用進(jìn)行討論，并得到了有益的結(jié)論。文獻(xiàn)[4-5]運(yùn)用試驗(yàn)和分形方法研究應(yīng)力波穿越巖石節(jié)理時(shí)能量耗散的規(guī)律。張秀麗[6]等人采用數(shù)值模擬和模擬現(xiàn)場試驗(yàn)得出，爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波在節(jié)理巖體中傳播、衰減的規(guī)律，模擬結(jié)果與現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果比較吻合。

翠華山隧道坐落于西安市長安區(qū)，為穿越翠華山的單線越嶺隧道，全長11.2km，隧道通過區(qū)通過地區(qū)地質(zhì)條件非常復(fù)雜，山高坡陡，基巖外露，節(jié)理裂隙發(fā)育。本文借助LS-DYNA有限元分析軟件，建立三維數(shù)值模型，分別從振速、能量和強(qiáng)度等方面研究無節(jié)理和有節(jié)理不同長度對爆破應(yīng)力波傳播的影響。

1 有限元模型

1.1 數(shù)值模型選擇

數(shù)值模擬時(shí)，有限元模型由炸藥單元、空氣單元和巖石三部分組成，為簡化分析，隧道斷面形式采用圓形，節(jié)理裂隙采用軟巖。圍巖采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元Solid164。巖石選用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料；炸藥采用相同的裝藥形式，即裝藥段長度為0.8m，堵塞段長度為0.6m，空氣段長度為0.6m，起爆位置設(shè)在藥包中間。采用LS-DYNA自帶的高性能炸藥材料MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，狀態(tài)方程為JWL狀態(tài)方程；空氣選用* MAT_NULL材料，狀態(tài)方程為*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL。

根據(jù)圣維南原理，對于隧道開挖后圍巖的應(yīng)力和應(yīng)變，僅在隧道周圍距離洞室中心點(diǎn)3～5倍隧道開挖寬度的范圍內(nèi)存在影響。有限元模型的尺寸取為90m×90m×60m，沿隧道軸向長度為60m。模型上部邊界為自由邊，底部邊界和左右邊界施加水平約束和垂直約束。為了減小邊界處爆炸波的反射影響，對模型的六個(gè)面均施加無反射邊界。數(shù)值模型所涉及的單位均采用國際單位。

1.2 材料參數(shù)的選取

2 數(shù)值模擬

2.1 振速數(shù)值模擬

2.1.1 無節(jié)理裂隙

第1組測量點(diǎn)x方向振速圖如圖1所示，第2組測量點(diǎn)x方向振速圖如圖2所示。

從圖3可以看到在沒有節(jié)理的情況下，節(jié)點(diǎn)A1231和節(jié)點(diǎn)B1947 x方向振速無明顯的差距，第1組測點(diǎn)振速峰值大約為4.3 cm/s。從圖4可知，節(jié)點(diǎn)A12181和節(jié)點(diǎn)B1960 x方向振速無明顯的差距，第2組測點(diǎn)振速峰值大約為1.05 cm/s。

2.1.2 豎直節(jié)理

①節(jié)理長度4m寬度15cm。節(jié)點(diǎn)A1231和節(jié)點(diǎn)B1947 x方向振速有明顯的差距。無節(jié)理一側(cè)，節(jié)點(diǎn)B1947的振速大約為4.3cm/s，而有節(jié)理一側(cè)，節(jié)點(diǎn)A1231的振速大約為1.0cm/s。無節(jié)理一側(cè)，節(jié)點(diǎn)B1960的振速大約為1.04cm/s，而有節(jié)理一側(cè)，節(jié)點(diǎn)A1218的振速大約為0.4cm/s。節(jié)理的存在明顯降低了爆炸應(yīng)力波的傳播速度，一定程度上影響了爆破的效果。

②節(jié)理長度10m寬度15cm。隨著節(jié)理長度的增大，在有節(jié)理一側(cè)振速越來越小，紅色曲線，幾乎接近于零。而無節(jié)理一側(cè)，振速基本上沒有變化。因此，爆炸應(yīng)力波傳播能力隨著節(jié)理裂隙長度的增大。

2.2 強(qiáng)度分析

軟弱節(jié)理裂隙用空氣進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖5所示。

而從圖6分析，爆炸波傳播到A1329測點(diǎn)時(shí)間大約為0.0013 s，從圖7可知，爆炸波傳播到A1329測點(diǎn)時(shí)間大約為0.0005 s。爆炸波傳播到空氣夾層用時(shí)多于軟巖夾層，空氣的強(qiáng)度很低，因此可知，強(qiáng)度越低，波的傳播速度越慢。

3 結(jié)論

①節(jié)理裂隙的存在阻礙著爆炸應(yīng)力波的傳播，且隨著節(jié)理裂隙長度的增大應(yīng)力波的衰減程度越明顯。因此，節(jié)理裂隙長度在一定程度上影響爆破的效果。②節(jié)理裂隙強(qiáng)度越低，對爆炸波的傳播速度影響越大。在進(jìn)行爆破工程時(shí)，應(yīng)考慮到軟弱節(jié)理裂隙的存在，并在原有基礎(chǔ)上增加裝藥量，從而達(dá)到較理想的爆破效果，進(jìn)而避免二次爆破。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭文章，王樹仁.節(jié)理巖體爆破的破裂規(guī)律分析[J].振動與沖擊，1999，18（2）：30-34.

[2]張力民，呂淑然，劉紅巖.節(jié)理巖體爆破破壞模式的機(jī)理分析及數(shù)值模擬[J].金屬礦山，2009（7）：16-19.

[3]崔新壯，陳士海.在裂隙巖體中傳播的應(yīng)力波的衰減機(jī)理[J].工程爆破，1999，5（1）：18-21.

[4]李業(yè)學(xué)，劉建鋒，秦麗.應(yīng)力波穿越巖石節(jié)理時(shí)能量耗散規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué)，2011，26（1）：85-90.

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[6]張秀麗，焦玉勇，劉泉聲.節(jié)理對爆炸波傳播影響的數(shù)值研究[J].巖土力學(xué)，2008，29（3）：717-721.